シクロデキストリンを用いたサーファクタントフリーエマルションの安定化メカニズムの解明
明治薬科大学井上元基

Surfactants are essential to prepare emulsions. However, some kinds of surfactants show adverse effects on the humanbody or environments. Consequently, many researchers are attempted to prepare emulsion without use surfactants calledsurfactant-free emulsions. Emulsion stabilized by cyclodextrins has been reported by many researchers in 90 s. Althoughthese reports focus on preparation and application for practical use, improving the physical property of the emulsion has
many problems due to a lack of the formation mechanism. In this study, the formation mechanism of emulsion using
cyclodextrin as emulsifier was investigated by physicochemical and spectroscopic methods. Water in oil type emulsion
was prepared in the case of the use of hydrophobic group modified cyclodextrin. From the stability tests and droplet size
measurements, the emulsion was destabilized by creaming. The surfaces of droplets were covered with precipitates by cryoSEM observation. Therefore, this emulsion was classified as Pickering emulsion, which defined as stabilized by adsorptionof solids on the surface of the droplets. In the second section, α-cyclodextrin was used as an emulsifier that forms theinclusion complex with oil molecules. We focused centrifuge precipitates in the oil in water type emulsion. From Raman
spectra, centrifuged precipitates and absorbed at the surface of droplets showed similar spectra. From the PXRD, precipitatesand original cyclodextrins showed different patterns. Therefore, the precipitate at the surface on the droplets derived from
cyclodextrins and related to form the emulsions.

１．緒言２．方一般にエマルションの調製には界面活性剤の使用が不可

２．
１．試法

薬欠である。しかし、界面活性剤の種類によっては、人体にα および β-CDは、日本食品化工㈱製のものを減圧乾燥（100対して悪影響をおよぼすものや高い環境負荷のものもある。

℃, 12 h）した。n-octane、n-dodecaneおよびn-hexadecane

そのため、界面活性剤を使用しないサーファクタントフリ

は、関東化学㈱製の特級品をそのまま使用した。疎水化ーエマルションの開発が望まれている。シクロデキストリ

CDとしてheptakis（2 , 3 , 6 -tri-O-propanoyl）-β-CD（以下、ン（CD）はグルコースが α- 1 , 4 結合した環状オリゴ糖でTP-β-CD）を選択し、Hirayamaらの方法に従い、β-CDを内側に疎水部を有する。外側は親水性であるため高い水溶ピリジン中で無水プロピオン酸と反応させることにより調性をもち、疎水部の内洞が疎水性化合物を包接することに製した 3）。

より包接複合体を形成する。CDと油分子が包接複合体を形成し、親水部を水相、疎水部を油相に吸着することで液２．２．エマルションの調製

滴を安定化するためエマルションを形成すると考えられて
1）

所定量のCD、水およびn-alkane類をホモジナイザー

きた 。しかしながら、液滴の安定化にはCD由来の析出（10000 rpm, 5 分間）で撹拌しエマルションを調製した。25

物の析出が不可欠であるため、固体が油／水界面に析出す℃恒温下、1 時間静置後の相状態を目視および光学顕微鏡ることで形成されるPickeringエマルションであることが観察し、三成分系状態図を作成した。なお、エマルション

わかっている 2）。これまでの検討では、エマルションの形の型の判別は電気伝導度法および希釈法により行った。

成には固体の存在が不可欠であることはわかっているものの、油／水界面における固体の化学的な性質の直接的な解

２．３．安定性試験および液滴粒子径の測定

明はなされていない。本研究は、CDを乳化剤としたエマバイアルに入れたエマルションを 25℃恒温下にて静置

ルションの実用化に向け、分光光学的手法を用いて基礎物し、経時的にエマルション相の高さを測定することで評価性を明らかにすることを目的とした。

した。エマルションの粒子径は、エマルションの光学顕微
鏡写真を元に、ImageJを用いて計測した。

２．４．クライオ走査型電子顕微鏡および偏光顕微鏡
観察

Formation mechanism of surfactant-freeemulsion stabilized by cyclodextrins

エマルションの液滴表面の状態はクライオ走査型電子顕Motoki Inoue

微鏡（SEM）により観察した。エマルションを試料ステー

Meiji Pharmaceutical University

ジに挟み込み、液体窒素中（−196℃）に突入させ急速凍結−9−コスメトロジー研究報告 Vol. 28, 2020

させ物理的な固定を行った。ステージに挟み込まれた試

Figure 2 はエマルション中液滴の粒子径の経時変化を料を、クライオユニット内で割断処理し、クライオSEM示す。いずれのn-alkaneを用いた場合も直径 50 - 60 μmの（JSM- 6301 F、日本電子㈱製）の加速電圧を 12 kVに設定し、液滴が確認された。その大きさはn-alkaneのアルキル鎖断面を観察した。エマルションの液滴表面は偏光顕微鏡に

長 に よ っ て わ ず か に 異 な り、n-octane>n-dodecane>n-より観察した。

hexadecaneの順に粒子径が大きかった。エマルションの不安定化に合一が認められず連続相の分離のみであること、２．５．エマルション中に生じた析出物の粉末X線回折（PXRD）測定

液滴の平均粒子径は調製28日後までほとんど変化がない

10000 rpm、30 minでエマルションを遠心分離した後、主にクリーミングにより引き起こされることが明らかとな生じた析出物を減圧乾燥させ測定試料とした。試料をSi単ことから、TP-β -CDを用いたエマルションの不安定化は、った。

結晶製の無反応試料プレートに充填し、粉末X線回折装置（Miniflex、理学電機㈱製）Cu-kα 線（30 kV, 15 mA）を用いて走査速度 4° /minで測定した。

３．２．エマルション液滴表面の観察ならびに表面化学的特性
液滴断面を視覚的に明らかにするためにエマルションを

２．６．ラマンスペクトル測定

凍結後に割断し、走査型電子顕微鏡（SEM）で直接的に液ラマン分光装置は光源波長 785 nmレーザー、スペクトル滴表面を観察した。Figure 3 は液滴表面のクライオSEM

分解能 4cm- 1 のWork StationTM（Kaiser Optical Systems）を像を示す。液滴径は 100 μm程度で液滴表面の一部に卵殻用いた。なお、レーザー出力は 400 mW、露光時間は 1 sと状の析出物が吸着していることを確認した。このことより、した。

TP-β-CDを乳化剤として用いたエマルションは、油／水

３．結界面に吸着した析出物により安定化するものと考えられた。

果

エマルション中の析出物により油および水へのぬれ性が３．
１．エマルション液滴の安定性異なる理由について詳細に調べるため、表面自由エネルギ疎水性CD誘導体であるTP-β -CDを乳化剤としてエマルー γ sを算出した。ここで、γ sは分散力成分（γ ds ）と極性力ションを調整すると油中水（W/O）型となった。Figure 1成分（γ sp）の 2 成分に大別され 4 , 5）、2 種の物質同士の各成はエマルションの経時変化を示す。この検討では、調製直分の値が近いほど物質間に相互作用が働きやすいといわれ後のW/O型エマルションの高さを 100 %とし、残存するエている。なお、析出物のγ sdおよびγ spは、分散力成分およびマルションの割合を百分率で表した。エマルション割合

極性力成分が既知のプローブ液体を用いて接触角を測定し、は 7 日後まで徐々に低下し、それ以降ほぼ一定値を示した。

以下のFowkesの式（式⑴）により算出した。

なお、この検討では連続相であるn-alkaneのみの分離がみられた。その分離の傾向は鎖長により異なり、短いものほどエマルションの安定性が低いことが明らかとなった。

Figure 1 Volume fraction of the W/Oemulsion phase for 4 weeks. Weightratio of the emulsion is n-alkane/TP-β-CD/water= 0.4/0.2/0.4.

⑴
ここで、γ SLは液体と固体の界面張力、γ Lは液体の表面

Figure 2 Time course of the water Figure 3 Cryo -S E M images of W/Oemulsion. Weight ratio of the emulsion isdroplet size in the W/O emulsions.
n-alkane/TP-β-CD/water= 0.4/0.2/0.4.
Weight ratio of the emulsion isn-alkane/TP-β-CD/water= 0.4/0.2/0.4.

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張力、γ sdおよびγ spはプローブとして用いた液体の表面

したがって、この析出物は結晶性の化合物であることがわ張力の分散力成分および極性力成分である。Figure 4 はかった。

TP-β-CDを用いたエマルション中析出物のγ sdおよびγ spのp値を示す。n-alkaneの鎖長の増加に伴って析出物のγ s 値dここで生じた析出物を採取し、ラマンスペクトルを測定した。Figure 6 はエマルションを遠心分離により収集しは減少し、γ s は増加した。これはTP-β-CD由来の析出物た析出物、n-octane/水界面に生じた析出物および原料でがn-alkaneの影響を受け、分散力が高まり極性力が小さくあるα-CDのラマンスペクトルを示す。α-CDのスペクトルなったと考えられる。

は複数のピークを有しており、特徴的な形状であった。一方、いずれの析出物のスペクトルにもα-CD由来のピーク

３．3．エマルション中析出物の分光光学的な分析は確認されず、1350 cm- 1 付近の幅広いピークのみが確認

油と包接化合物を形成しやすいα-CDを用い、n-alkaneされた。油／水界面に生じた析出物はα-CD結晶ではなくエマルションについて検討を行った。α-CD水溶液の上にCDとオクタンによる包接複合体であることが推察された。

n-alkaneを積層すると油/水界面に目視で確認できる程度

さらに結晶について詳細な検討を行うためエマルションの白濁を確認した。Figure 5 はn-octane/水界面の偏光顕を遠心分離して得られた析出物を乾燥し、PXRD測定した。

微鏡像であり、α-CD由来不溶性析出物は複屈折を示した。

いずれの析出物もCD単独のX線回折パターンとは異なる

Figure 4 Dispersion force component（γsd）, and polar force
component（γsp）of precipitates in n-alkane/tripropanoyl β- CD/water systems at 25℃. The precipitates werecentrifuged from the emulsion consisting n-alkane/TP- β-CD/water= 0.4/0.2/0.4.

Figure 5 Polarized microscopic photographs of precipitates
generated at the interface between n - octane andsaturated α-CD solution.

Figure 6 Raman spectra of precipitates and α-CD. The
precipitate generated at the interface between n-octane
and saturated α-CD solution and centrifuged fromn-octane emulsion.

Figure 7 PXRD patterns of precipitates in emulsion and α-CD. The composition of the emulsion is 0.4/0.08/0.52(n-octane /α-CD/water).

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パターンを示したため、CD単独とは異なる結晶格子であた 8）。しかしながら、Pickeringエマルションの場合、水とることが示唆された。したがって、CDを用いたエマルシ

油の界面張力が大きいほど固体は油／水界面に吸着しやすョン中の析出物はCD由来の包接錯体であることが確認さくなる。ここで、仮にミクロクリスタルがエマルション形れた。したがって、シクロデキストリンを乳化剤としたエ成に関与していれば、析出物を取り除き、残った水相と油マルション形成にはα-CD単独ではなく包接複合体の結晶相を再び撹拌することで、液滴が形成されると考えた。フ

による寄与が大きいことが示唆された（Figure 7）。

ィルター（孔径 0 . 45 μm）ろ過後、水相と油相を撹拌した

4. 考が液滴の形成は見られなかった。したがって、本エマルシ

察ョンは主に固体が油／水界面に吸着することでエマルショCDを乳化剤として用いたエマルションは界面活性剤ンを形成することが考えられた。析出物の油水界面でのぬを使用しないサーファクタントフリーエマルションでれ性を評価するため、固体の表面自由エネルギーを算出しあるため、近年、基礎研究のみならず実用化に関するた。エマルション調製に用いたn-alkaneの鎖長の増加に伴研究も行われている。Pavnovらはこのエマルションをい分散力が増加するものの、極性力は低下した。これは「Cyclodextrinosome」と名付け、水／油界面に吸着したn-alkaneの物性の傾向と一致しており、析出物は用いた油不溶性の包接複合体についてSEMならびに色素を使った相の種類に影響されることが推察された。次に、油分子と6）染色による詳細な検討を行っている 。Leclecqらは抗真包接複合体を形成するα-CDを用いて油／水界面で形成さ菌薬の基剤として応用するための検討を行い、従来の外用れる析出物の直接的な観察を行った。偏光顕微鏡による観性基材と比較して遜色ないほど安定で、界面活性剤を乳化

察では、油／水界面に複屈折を示す析出物の吸着が見られ剤としたエマルションと比較して刺激も低いと報告していた。この結晶をエマルション状態で化学的に検討するため、7）る 。CDを乳化剤としたエマルションは香粧品のみならラマンスペクトルを取得した。エマルション中から沈殿とず外用剤としても有用であることが期待されるにも関わらして得た析出物および油／水界面に生じた析出物のスペクず、実用化には至っていない。それはエマルションを形成トルを比較すると、油／水界面に生じた析出物はα-CD結した際の析出物の物性が明らかになっていないためであ晶ではなくCDとオクタンによる包接複合体であることがる。本研究では疎水化CDおよび天然のCDを用いて、CD推察された。したがって、シクロデキストリンを乳化剤とを乳化剤としたエマルションの形成メカニズムを詳細にしたエマルション形成にはα-CD単独ではなく包接複合体検討した。W/O型エマルションの不安定化を検討したとの結晶による寄与が大きいことが示唆された。CDを乳化ころ、油相の分離が徐々に起こるものの水相の分離は起こ剤として用いたエマルションはFigure 8 に示すように固らなかった。したがって、このエマルションの不安定化は体微粒子が油／水界面に吸着して液滴を安定化すると考え合一ではなく、クリーミングにより引き起こされているとられる。すなわち、油／水界面に吸着するあるいは析出し、推察された。液滴表面を観察したところ、油／水界面に析液滴を覆い尽くすと、連続相に分散して 3 次元構造を形成出物が見られPickeringエマルションであることが推察さする。塗布時に液滴の破壊が起こるため、油相を効果的にれた。ZhangらはCDによるエマルションの形成は水／油塗布ができるといった特徴があるため、クリーム性基剤と界面張力の低下と不溶性複合体が形成するミクロクリスして応用できる可能性がある。今後は析出物が生成する条タルによる水／油界面への吸着によるPickeringエマルシ件を検討することで、実用化に近づけると考えられる。

ョンの形成の 2 つのメカニズムにより安定化すると報告しFigure 8 The formation mechanism of emulsion stabilized by cyclodextrins. (a) wateror oil droplets, (b) precipitates generate and adsorb on the surface of droplets, (c)surface of the droplets were covered with generated precipitates and contributed to
the formation of the three-dimensional network structure in the dispersed phase.

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謝辞4） Fowkes, F. M. The Journal of Physical Chemistry
1962, 66, 382-382.

本研究の遂行にあたり、多大なるご支援をいたただきま
した公益財団法人コーセーコスメトロジー研究財団に心よ

5） Fowkes, F. M. Industrial & Engineering Chemistry
1964, 56, 40-52.

り感謝申し上げます。

6） Mathapa, B. G.; Paunov, V. N. Physical Chemistry（引用文献）

Chemical Physics 2013, 15, 17903-17914.

1） Kazuko, S.; Kimiko, K.; Junko, I.; Takashi, N. Food

7） Leclercq, L.; Nardello-Rataj, V. Eur. J. Pharm. Sci.
2016, 82, 126-137.

Science 1992, 57, 655-656.
2） Inoue, M.; Hashizaki, K.; Taguchi, H.; Saito, Y. Chem.

8） Li, X.; Li, H.; Xiao, Q.; Wang, L.; Wang, M.; Lu, X.;
York, P.; Shi, S.; Zhang, J. Physical Chemistry Chemical

Pharm. Bull. 2008, 56, 668-671.
3） Hirayama, F.; Yamanaka, M.; Horikawa, T.; Uekama,K. Chem. Pharm. Bull. 1995, 43, 130-136.

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Physics 2014, 16, 14059-14069.